防尘口罩结构材料及其加工技术探讨

1、第 9 卷第 4 期2013 年 4 月中 国 安 全 生 产 科 学 技 术journal of safety science and technologyvol 9 no 4april 2013文章编号: 1673 193x( 2013)04 0067 05防尘口罩结构/材料及其加工技术探讨*朱华( 中国安全生产科学研究院， 北京100029)摘要: 介绍了防尘口罩的结构及选用时应注意的一些问题， 分析了作为防尘口罩核心组件的滤料的过滤机制。论述了一些非织造布材料和非织造布加工方式对于防尘口罩滤料生产的优点和不足之处。对于广泛应用于口罩滤料的聚丙烯材料及滤料的主要加工方式 熔喷法非织造布生

2、产技术， 进行了重点介绍。同时也简要介绍了为完善口罩的综合性能而采用的非织造布复合技术。最后研究分析了提高口罩过滤效率的一种非常重要的方法 非织造布驻极加工方法， 并对目前防尘口罩应用中存在的问题进行了简要的分析。关键词: 防尘口罩;过滤材料; 熔喷法非织造布中图分类号: x916文献标志码: adoi: 10 11731/j issn 1673- 193x 2013 04 012study on the structure/material and the processing technology of dust maskszhu hua( china academy of safety

3、science and technology，beijing 100029，china)abstract: the structure of dust masks and some considerations for selecting dust masks were both introduced in thispaper the mechanism on how the filter material of the masks acts on the dust and the factors affecting the filterproperties were also analyze

4、d the advantages and disadvantages of some nonwoven materials and nonwoven manu-facturing processes in producing filter materials were comparatively studied melt- blow nonwoven fabric technology，the principal process to manufacture filter material，and the nonwoven composite technology for improving

5、compre-hensive properties of the dust mask were both introduced in detail finally，the electret technology that could great-ly improve the filter efficiency of the mask was also analyzed problems exist in the application of dust masks werealso presentedkey words: dust mask;filter material;melt blown

6、nonwoven收稿日期: 2013 01 31作者简介:朱华， 博士。*基金项目:2010 2011 年度质检公益科研专项项目( 201010267 03)0引言作业环境中的粉尘有无机类粉尘( 包括矿物性粉尘、 金属性粉尘和人工无机粉尘) ， 有机性粉尘( 包括植物性粉尘、 动物性粉尘和人工合成有机粉尘) 以及混合型粉尘等。长期处于粉尘作业环境中， 可能导致人体肺部纤维化， 产生尘肺、 矽肺等疾病， 以及造成人体致敏、 中毒等危害。其中， 空气动力学直径小于 5m 的粉尘对肌体危害较大， 1 2m 的粉尘危害最大， 因为这些粉尘更容易到达呼吸器官中较深的部分1 ， 能直接进入肺泡， 并沉积在

7、肺部， 对人体造成很大的危害， 是引起尘肺等疾病的罪魁祸首2 。加强个体防护， 切断粉尘进入呼吸系统的途径，是应对粉尘危害的主要措施之一。具体做法就是依据作业环境中不同粉尘的性质， 让作业人员佩戴不同的个体防护用品， 包括防尘口罩、 呼吸器等( 对某些有毒粉尘还应佩戴全面罩防毒面具及进行全身防护) ， 其中防尘口罩的应用最为广泛。本文将对防尘口罩的结构、 主要材料、 加工工艺及新技术进行探讨。1防尘口罩的结构目前我国的防尘口罩按照面罩结构分类， 可分为随弃式面罩、 可更换式半面罩和全面罩三类。按照过滤元件的过滤性能分为 kn 类和 kp 类。kn 类过滤元件只适用于过滤非油性颗粒物; kp 类

8、过滤元件适用于过滤油性和非油性颗粒物3 。目前作业岗位上最常用的防尘口罩为随弃式面罩， 主要分为杯罩式和折叠式两种。两类口罩组成部件大体相同， 都是由头带、 鼻夹、 面罩等部分组成。根据需要， 有些口罩会有呼气阀。头带是两条穿过口罩两侧固定夹的长带， 一般为弹性很好的橡胶带或松紧带， 可以将口罩固定在头部。鼻夹在过滤层上部中心位置， 一般放在口罩的外部。其制作材料为金属或金属 塑料复合体，既有可塑性， 又有一定强度， 便于佩戴时口罩与鼻部颜面之间的密封。呼气阀为口罩上的止回阀， 只允许呼出气体通过它排出面罩， 吸气时该阀关闭。防尘口罩的面罩应保证在使用状态下， 使得口罩与口鼻之间拥有足够的立体

9、空间。为使口罩的四周边缘能与面部密切封闭， 有些口罩还采用弹性材料( 一般为弹性针织布复合材料) 形成一圈张紧的包边。在口罩头带的作用下， 口罩与面颊之间会产生一定的压力， 由于弹性包边出色的变形性赋予了口罩边缘一定的可塑性， 可以使整个口罩在各个部位均能形成对面部的完善包覆， 有效提高整个口罩边缘的密封性能。随弃式防尘口罩的面罩基本上由滤料构成， 是防尘口罩的主要部分。这一部分决定了口罩的各项防护性能。通常面罩滤料由若干层构成。不同厂家生产的口罩各层数量及结构有所不同， 但基本上都是遵循所谓 “梯度过滤” 的原则来配置各层。最外层负责过滤掉较粗大的粉尘颗粒， 口罩内层则负责过滤掉较细小的粉尘

10、， 直至最后将各种粒径的粉尘颗粒中的绝大多数过滤掉。这样的设计有利于充分发挥各层的过滤作用， 保证过滤效率的同时达到最大容尘量。一般有一层用强度较高的热塑性非织造布制作， 作为整个口罩的定型基础。2防尘口罩的过滤机制及影响过滤性能的因素防尘口罩的各层过滤材料一般都由非织造布构成， 依靠纤维过滤的方式实现过滤功能。通常纤维过滤有五大主要过滤机理: 直接捕获、 惯性沉积、 重力沉积、 扩散沉积效应和静电吸附3 。( 1) 直接捕获直接捕获是指随气流运动的较大粉尘粒子被过滤材料的机械筛滤作用截留， 或者在流线接近纤维时， 粒子与纤维发生接触， 被纤维捕获。一般大粒径粒子主要靠直接捕获作用过滤， 形状

11、不规则的粒子较球形粒子更易被捕获。粒子直径与过滤纤维的直径的比率影响拦截效率。( 2) 惯性沉积空气中的粒子随气流通过过滤材料弯曲的网状通道时， 其中动量较大的粒子由于惯性作用会偏离流线方向， 与纤维发生碰撞而被捕获， 并由于分子间的作用力而被截留， 这就是惯性沉积。惯性沉积的发生取决于粒子的空气动力学直径， 空气动力学直径大的粒子比直径小的粒子更容易撞击到纤维上。对于口罩来讲， 气流中的大粒子密度较高、 速度较快时惯性沉积作用比较明显。( 3) 重力沉积是指穿过口罩滤料的一些质量相对较大的粒子在运动时， 由于重力原因偏离流线方向， 沉积到纤维上。( 4) 扩散沉积效应气流中的微粒与不断进行热

12、运动的气体分子碰撞会产生随机的布朗运动， 导致细小的粒子作无规则的运动， 这种运动会导致粒子与纤维发生随机碰撞， 尘埃颗粒因受纤维分子引力作用而被吸附。扩散沉积效应最易捕捉小尺度粒子和低速运动的86中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 9 卷粒子。( 5) 静电吸附作业环境的空气中浮游粒子多带有正电荷或负电荷。现代防尘口罩的过滤层纤维多为带有极化电荷的驻极体纤维。当空气中这些带电粒子在经过驻极体附近时， 被强烈地吸附在驻极纤维上; 而浮游粒子中不带电的粒子会在驻极体形成的电场中因感应而极化， 也会被吸附在纤维上。当过滤材料过滤空气中多分散的微粒时， 在几种过滤机理共同作用下， 比较小的微粒

13、由于扩散作用而先在纤维上沉积， 所以当粒径由小到大时， 扩散效率逐渐减弱， 比较大的微粒则在拦截和惯性作用下沉积。这样， 与粒径有关的过滤效率曲线就有一个最低点， 这一点粒径下的总效率最小， 因而这种微粒是最不容易在过滤材料中被捕集的微粒。通过检测各种过滤材料对气流中多分散颗粒的过滤效率，最终发现 0. 3m 粒径的颗粒物所对应的过滤效率总是最低的。因此， 0. 3m 粒径通常作为检测滤材过滤效率的颗粒物粒度指标5 。3防尘口罩的滤材早期的防尘口罩， 是从医用口罩演变而来的， 多采用纱布制作。但纱布口罩的孔隙直径过大， 根本无法有效阻止微米级的粉尘颗粒6 。随着合成超细纤维和非织造布技术的发展

14、， 加上原料的改良及静电技术的提升， 合成纤维非织造布在防尘口罩过滤材料中得到广泛的应用， 已取代了传统的机织和针织材料。31非织造布过滤材料特点非织造布过滤材料， 其基本结构可以看作是由各种纺织纤维以三维立体网状结构所组成， 其特点是:( 1) 非织造布中纤维呈复杂的三维结构， 特别是采用超细纤维制作的非织造布， 纤维间孔隙小且分布均匀， 总孔隙率高， 纤维比表面积大， 因此与环境气流的接触面积大， 与气流中的粉尘颗粒接触的几率高， 同时过滤阻力较小， 容尘量高。( 2) 非织造布过滤材料内部结构形成了理想的纤维曲径式系统， 可增强流体的分散效应， 使要过滤的粉尘粒子有更多的机会与单纤维碰撞

15、并被捕捉，因此具有较高的过滤效率。( 3) 非织造布过滤材料与其它过滤材料相比，可以提高流体的流动速度， 加快过滤过程。( 4) 非织造布过滤材料具有生产工艺流程短，产量高， 成本低， 易与其它滤料复合且容易在生产过程中进行打洞、 折叠、 模压成型等深加工处理的优点。32非织造布的加工工艺非织造布的加工方法有很多种， 如湿法、 化学粘合法、 针刺法、 纺粘法、 热粘合及熔喷法几乎都适用于过滤材料的生产。就材料的过滤性能来说， 随纤维直径的下降， 过滤效率增加， 这是由于在滤材定量相同时， 纤维越细， 滤材的比表面积越大， 吸附效果就越好。同时， 纤维直径越细， 所形成的平均纤网网孔直径越小，

16、对颗粒的阻隔效果就更好， 所以防尘口罩滤料基本上都是采用超细纤维制作。在各种非织造布加工工艺得到的产品中， 以熔喷法非织造布的组成纤维最细， 这是因为熔喷法非织造布在加工过程中受到高温高速气流喷吹而产生的强烈的拉伸作用， 纤维直径多在 0. 5 4m 之间。非织造布内部的微孔小而多， 纤维集合体对颗粒物起到强烈的截留和阻滞作用， 从而可以实现较高的过滤效率7 。因此， 作为防尘口罩的核心组件 过滤层， 通常采用熔喷法生产的非织造布制作。口罩滤料使用的熔喷法非织造布， 大多采用聚丙烯作为原料。这是由于聚丙烯具备一系列的特点， 非常适合用作防尘口罩的滤材。首先， 聚丙烯纤维具有原料丰富、 生产成本

17、低、 重量轻、 强度高、 耐磨性及弹性回复性好、 热熔性能好、 超声波焊接性能优异以及价格低廉等优点， 已经大量应用于熔喷法非织造布的生产。其次， 聚丙烯还具有化学性能比较稳定的优点， 其纤维材料的吸湿率为零， 制作的熔喷非织造布具有耐酸碱、 耐有机化学溶剂、 耐虫蛀， 耐霉烂和无毒等特点， 非常适用于各种不同条件下的作业环境。聚丙烯纤维也非常适合于进行高压驻极处理， 经过改进的工艺处理后可具有长效静电， 能大幅度提高滤材的空气过滤效率。最后， 由于聚丙烯熔喷非织造布的结构是由聚丙烯纤维自身热粘合而成形的， 其后续加工也大多采用超声波焊接工艺， 生产过程中很少使用其他化学制剂， 对环境污染较小

18、，属于环境友好型产品。上述因素奠定了聚丙烯熔喷非织造布在过滤材料领域无可比拟的优势。96第 4 期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术作为防尘口罩的滤料， 熔喷法非织造布也有自身的性能缺陷， 主要是结构强度低、 耐磨性差。在实际应用中， 口罩仅靠熔喷法非织造布过滤层是无法维持其使用强度的。因此应采用其他材料对口罩进行加固。通常采用熔喷法非织造布和纺粘法非织造布相结合的方法制作口罩的面罩。纺粘法非织造布生产技术， 是利用化纤纺丝的方法， 将高聚物纺丝、 牵伸、 铺叠成网， 最后经针刺、或热轧等方法固结成布8 。纺粘法非织造布的最大特点是纤网中纤维为连续长丝， 与同克重的其它非织造布产品相比，

19、具有强度高， 纵横向机械性能接近等优点， 但其成网均匀度和表面覆盖性较差， 过滤性能也不能与熔喷法非织造布相比。但与熔喷法非织造布复合后， 所形成的复合体则恰好弥补了彼此的弱点， 具有强度高、 耐磨性好的特点， 同时又具有优异的过滤性能9 。4提高滤材过滤效率的重要方法 静电强化为进一步提高熔喷法非织造布滤料的过滤效果， 应当减小非织造布中纤维细度、 增加滤材的密度， 但这样做一方面会遇到技术上的困难， 并造成产品成本的上升， 同时也会引起滤料过滤阻力的明显增加。解决这一矛盾的方法是使熔喷非织造材料带静电， 可通过静电吸附效应提高其过滤性能。目前广泛采用的技术是对熔喷非织造布进行驻极处理。在强

20、外电场等因素作用下极化并能较长时期保持极化状态的电介质， 叫做驻极体， 又叫永电体。所谓驻极处理就是将纺织纤维加工成驻极体。聚丙烯材料具有较高的电阻率( 7 1010cm) ， 注入电荷的容量较大， 是一种制造驻极纤维的理想材料。聚丙烯纤维驻极体在通常环境条件下的电荷稳定性能可以与公认为最优异的非极性薄膜驻极体聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，ptfe)相媲美10 。根据库伦沉积理论， 纤维集合体对粉尘颗粒的捕集系数与纤维每单位长度的电荷量成正比， 与纤维直径和粉尘微粒直径成反比关系11 。经驻极处理的聚丙烯熔喷非织造布， 可带有较为持久的静电，增强了依靠静电效应捕集

21、微细尘埃的能力， 不但提高了过滤效率， 还可以进一步降低过滤阻力、 增加容尘量， 这可能是因为电晕放电使纤网带上相同的电荷， 导致纤维之间相互排斥， 空隙变大， 整个过滤纤维集合体呈疏松的开放型结构所致。实验证明， 对于非织造布过滤材料， 静电过滤作用比重力沉积、 惯性沉积、 扩散沉积和直接捕获等作用强很多。经过驻极处理后， 定量 20g/m2的材料即能达到99%的过滤效率。而且在同样过滤效率情况下， 驻极材料不仅用量少而且阻力低。25g/m2左右的驻极体试样， 过滤阻力小于 0. 1pa12 。使过滤材料纤维集合体驻极化的方法有很多，主要有电晕放电、 摩擦起电、 静电纺丝、 热极化和低能电子

22、束轰击等13 。驻极方法不同导致了所形成的驻极体的性质有较大的区别， 这是因为不同的驻极方法造成过滤材料单位面积上电荷量以及电荷埋藏的深度有所不同， 而这些因素直接影响到材料的电荷保持性能和过滤效率。驻极体过滤材料各处的电荷密度应当保持一定的均匀性， 电荷埋藏的深度也应当有一定的一致性， 才有利于过滤效率的发挥。目前， 电晕放电法是最佳的非织造布粉尘过滤材料静电驻极方法。这种驻极方法可有效地控制产品纤维的电荷密度及其均匀性， 在实际生产过程中比较容易实现。在加工过程中， 熔喷法滤料的驻极化发生在熔喷加工工序。在该工序， 喷丝板和收集器之间装有两排加有偏压的电晕针， 在一定的电压作用下， 空气通

23、道中的空气被电离， 电荷在电场力和空气动力作用下被施加到纤维内部， 形成驻极体。5结束语随着材料科学和加工技术的发展， 未来防尘口罩的发展有以下趋势:( 1) 纤维直径小于 100nm 的纳米超细纤维已经进入工业化应用阶段。用这种纤维可以制作出孔径更小、 具有更高孔隙率的过滤材料， 其中的纤维具有比普通超细纤维更大的比表面积， 因此可以阻挡粒径更细微的粉尘粒子和气溶胶， 实现极高的过滤效率14 。( 2) 未来口罩外形的设计将更加人性化， 美观化， 更加符合人体工效学原理， 使得佩戴舒适感增强。( 3) 呼气阀是提高口罩佩戴舒适性的重要部件。未来防尘口罩的呼气阀将使用高性能工程塑料07中 国

24、安 全 生 产 科 学 技 术第 9 卷和合成橡胶膜片制作。膜片的力学性能优异， 对口罩内外的压力差更加敏感， 在很小的力矩作用下即可实现开闭动作， 这样就更容易排出呼出的气体， 使得口罩内的微环境空气始终保持清新， 而膜片本身可以经历数万次弯曲变形仍保持基本力学性能无明显变化。阀体的加工精度可以达到很高的程度， 当呼气阀闭合时膜片与阀体结合达到高度严密的程度， 杜绝吸气时的泄漏。无论阀体还是膜片， 均具有优异的耐化学侵蚀、 耐高低温、 耐老化性能， 能够适应各种不同的作业环境。参考文献 1 中国安全生产网 粉尘的职业危害及接触限值eb/ol http: / /www aqsc cn/1018

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